ظاهرة حيود الموجة هي إحدى التأثيرات التي تعكس طبيعة موجات الضوء. تم اكتشافه في بداية القرن التاسع عشر لموجات الضوء. في هذه المقالة سوف نلقي نظرة على ماهية هذه الظاهرة ، وكيف يتم وصفها رياضيا ، وأين تجد التطبيق.
ظاهرة حيود الموجة
كما تعلم ، أي موجة ، سواء كانت ضوئية أو صوتية أو اضطرابات على سطح الماء ، في وسط متجانس تنتشر على طول مسار مستقيم.
لنتخيل جبهة موجة لها سطح مستو وتتحرك في اتجاه معين. ماذا سيحدث لو كان هناك عائق في طريق هذه الجبهة؟ يمكن لأي شيء أن يكون بمثابة عقبة (حجر ، مبنى ، فجوة ضيقة ، وما إلى ذلك). اتضح أنه بعد المرور عبر العائق ، لن تكون مقدمة الموجة مسطحة بعد الآن ، ولكنها ستتخذ شكلاً أكثر تعقيدًا. لذلك ، في حالة وجود ثقب دائري صغير ، فإن مقدمة الموجة التي تمر عبرها تصبح كروية.
ظاهرة تغيير اتجاه انتشار الموجة ، عندما تواجه عقبة في طريقها ، تسمى الانعراج (الحيود من الوسائل اللاتينية"مكسورة").
نتيجة هذه الظاهرة أن الموجة تخترق الفضاء خلف العائق ، حيث لن تضرب أبدًا في حركتها المستقيمة.
يظهر مثال على حيود الموجة على شاطئ البحر في الشكل أدناه.
ظروف مراقبة الانعراج
التأثير الموصوف أعلاه لانكسار الموجة عند تجاوز عقبة يعتمد على عاملين:
- الطول الموجي ؛
- معلمات هندسية للعائق.
في أي ظروف يتم ملاحظة حيود الموجة؟ لفهم أفضل للإجابة على هذا السؤال ، تجدر الإشارة إلى أن الظاهرة قيد الدراسة تحدث دائمًا عندما تواجه الموجة عقبة ، لكنها تصبح ملحوظة فقط عندما يكون الطول الموجي بترتيب المعلمات الهندسية للعائق. نظرًا لأن الأطوال الموجية للضوء والصوت صغيرة مقارنة بحجم الأشياء من حولنا ، فإن الانعراج نفسه يظهر فقط في بعض الحالات الخاصة.
لماذا يحدث حيود الموجة؟ يمكن فهم ذلك إذا أخذنا في الاعتبار مبدأ Huygens-Fresnel.
مبدأ Huygens
في منتصف القرن السابع عشر ، طرح الفيزيائي الهولندي كريستيان هيغنز نظرية جديدة لانتشار موجات الضوء. كان يعتقد أنه ، مثل الصوت ، يتحرك الضوء في وسط خاص - الأثير. الموجة الضوئية هي اهتزاز جزيئات الأثير.
بالنظر إلى مقدمة موجية كروية تم إنشاؤها بواسطة مصدر ضوء نقطي ، توصل Huygens إلى الاستنتاج التالي: في عملية الحركة ، تمر الجبهة عبر سلسلة من النقاط المكانية فيإذاعة. بمجرد أن يصل إليهم ، يجعله يتردد. تولد نقاط التذبذب ، بدورها ، جيلًا جديدًا من الموجات ، والتي أطلق عليها Huygens اسم ثانوي. من كل نقطة تكون الموجة الثانوية كروية ، لكنها وحدها لا تحدد سطح الجبهة الجديدة. هذا الأخير هو نتيجة تراكب جميع الموجات الكروية الثانوية.
التأثير الموصوف أعلاه يسمى مبدأ Huygens. إنه لا يشرح حيود الموجات (عندما صاغه العالم ، لم يكونوا يعرفون بعد عن حيود الضوء) ، لكنه نجح في وصف تأثيرات مثل انعكاس الضوء وانكساره.
مع انتصار نظرية نيوتن الجسدية للضوء في القرن السابع عشر ، تم نسيان عمل Huygens لمدة 150 عامًا.
توماس جونغ ، أوغستين فرينل وإحياء مبدأ هيغنز
اكتشف توماس يونج ظاهرة الانعراج والتداخل مع الضوء عام 1801. عند إجراء تجارب على شقين يمر عبرهما ضوء أمامي أحادي اللون ، تلقى العالم على الشاشة صورة للخطوط الداكنة والخفيفة المتناوبة. شرح يونغ نتائج تجاربه بالكامل ، مشيرًا إلى الطبيعة الموجية للضوء ، وبالتالي تأكيد حسابات ماكسويل النظرية.
حالما دحضت تجارب يونغ نظرية نيوتن الجسيمية للضوء ، تذكر العالم الفرنسي أوغستين فرينل عمل هيغنز واستخدم مبدأه لشرح ظاهرة الانعراج.
يعتقد فريسنل أنه إذا واجهت الموجة الكهرومغناطيسية ، المنتشرة في خط مستقيم ، عقبة ، فسيتم فقد جزء من طاقتها.ينفق الباقي على تشكيل الموجات الثانوية. أدى هذا الأخير إلى ظهور جبهة موجة جديدة يختلف اتجاه انتشارها عن الاتجاه الأصلي.
التأثير الموصوف ، والذي لا يأخذ في الاعتبار الأثير عند توليد الموجات الثانوية ، يسمى مبدأ Huygens-Fresnel. لقد نجح في وصف حيود الموجات. علاوة على ذلك ، يستخدم هذا المبدأ حاليًا لتحديد فقد الطاقة أثناء انتشار الموجات الكهرومغناطيسية ، حيث يتم مواجهة عقبة في الطريق.
حيود شق ضيق
نظرية بناء أنماط الحيود معقدة للغاية من وجهة نظر رياضية ، لأنها تتضمن حل معادلات ماكسويل للموجات الكهرومغناطيسية. ومع ذلك ، فإن مبدأ Huygens-Fresnel ، بالإضافة إلى عدد من التقديرات التقريبية الأخرى ، يجعل من الممكن الحصول على صيغ رياضية مناسبة لتطبيقها العملي.
إذا أخذنا في الاعتبار الانعراج على شق رفيع ، حيث تقع مقدمة موجة مستوية متوازية ، فستظهر خطوط ساطعة ومظلمة على شاشة تقع بعيدًا عن الشق. يتم وصف الحد الأدنى لنمط الحيود في هذه الحالة بالصيغة التالية:
ym=مλL / a ، حيث م=± 1 ، 2 ، 3 ، …
هنا ymهي المسافة من الإسقاط الشق على الشاشة إلى الحد الأدنى من النظام m ، λ هو الطول الموجي للضوء ، L هي المسافة إلى الشاشة ، a هو عرض الشق.
ويترتب على التعبير أن الحد الأقصى المركزي سيكون أكثر ضبابية إذا انخفض عرض الشق وزيادة الطول الموجي للضوء. يوضح الشكل أدناه كيف سيبدو نمط الحيود المقابل.
محزوز الحيود
إذا تم تطبيق مجموعة من الفتحات من المثال أعلاه على لوحة واحدة ، فسيتم الحصول على ما يسمى محزوز الحيود. باستخدام مبدأ Huygens-Fresnel ، يمكن للمرء الحصول على صيغة للحد الأقصى (العصابات الساطعة) التي يتم الحصول عليها عندما يمر الضوء عبر الشبكة. تبدو الصيغة كما يلي:
sin (θ)=مλ / د ، حيث م=0 ، ± 1 ، 2 ، 3 ، …
هنا ، المعلمة d هي المسافة بين أقرب فتحات على الشبكة. كلما كانت هذه المسافة أصغر ، زادت المسافة بين العصابات المضيئة في نمط الحيود.
نظرًا لأن الزاوية θ للحد الأقصى للرتبة m تعتمد على الطول الموجي λ ، فعند مرور الضوء الأبيض عبر محزوز الحيود ، تظهر خطوط متعددة الألوان على الشاشة. يستخدم هذا التأثير في صناعة المطياف القادرة على تحليل خصائص انبعاث أو امتصاص الضوء من قبل مصدر معين مثل النجوم والمجرات.
أهمية الحيود في الأجهزة البصرية
إحدى الخصائص الرئيسية للأدوات مثل التلسكوب أو المجهر هي دقة وضوحها. يُفهم على أنه الزاوية الدنيا ، عند ملاحظتها والتي لا يزال من الممكن تمييز الأشياء الفردية تحتها. يتم تحديد هذه الزاوية من تحليل حيود الموجة وفقًا لمعيار رايلي باستخدام الصيغة التالية:
الخطيئة (θc)=1 ، 22λ / د
حيث D هو قطر عدسة الجهاز
إذا طبقنا هذا المعيار على تلسكوب هابل ، فسنجد أن الجهاز على مسافة 1000 سنة ضوئية قادر على التمييز بين جسمين تشبه المسافة بينهما المسافة بين الشمس وأورانوس.
