Dyfrakcja

Komputerowo wygenerowana symulacja dyfrakcji, szczelina ma rozmiar 4 długości fali. Na wykresie obszary o wyższym kontraście reprezentują większą amplitudę fali, a te o mniejszym – mniejszą.

Dyfrakcja (ugięcie fali) to zjawisko fizyczne polegające na zmianie kierunku rozchodzenia się fali na krawędziach przeszkód oraz w ich pobliżu. Zjawisko zachodzi niezależnie od wielkości przeszkody, ale wyraźnie jest obserwowane dla przeszkód o rozmiarach porównywalnych z długością fali.

Dyfrakcja używana jest do badania fal oraz obiektów o niewielkich rozmiarach, w tym i kryształów, ogranicza jednak zdolność rozdzielczą układów optycznych.

Mechanizm

Jeżeli wiązka fal przechodzi przez szczelinę lub omija obiekt, to zachodzi zjawisko ugięcia. Zgodnie z zasadą Huygensa fala rozchodzi się w ten sposób, że każdy punkt fali staje się nowym źródłem fali kulistej. Za przeszkodą fale nakładają się na siebie zgodnie z zasadą superpozycji. Przy spełnieniu pewnych warunków za przeszkodą pojawiają się obszary wzmocnienia i osłabienia rozchodzących się fal ( interferencja).

Zjawisko dyfrakcji występuje dla wszystkich rodzajów fal np. fal elektromagnetycznych, fal dźwiękowych oraz fal materii.

Jeden z najprostszych przykładów zjawiska dyfrakcji zachodzi, gdy równoległa wiązka światła (np. z lasera) przechodzi przez wąską pojedynczą szczelinę zwaną szczeliną dyfrakcyjną. Zgodnie z zasadą Huygensa każdy punkt szczeliny o szerokości d, jest nowym źródłem fali. Między źródłami zachodzi interferencja, co powoduje wzmacnianie i osłabianie światła rozchodzącego się w różnych kierunkach. Dla pojedynczej szczeliny jasność w funkcji kąta odchylenia od osi przyjmuje postać:

,

gdzie:

  • I – intensywność światła,
  • I0 – intensywność światła w maksimum, czyli dla kąta równego 0,
  • λ – długość fali,
  • d – szerokość szczeliny,
  • jeśli i

Przepuszczenie fali przez szczelinę dyfrakcyjną pozwala na określenie kierunku rozchodzenia się fali. Im mniejsza jest szerokość szczeliny, tym dokładniej można to zrobić. Jednocześnie zmniejszanie szczeliny powoduje, że trudniej jest określić energię fali, ponieważ rozprasza się ona na większy obszar. W efekcie iloczyn błędu określenia energii oraz błędu pomiaru kierunku musi być większy od pewnej stałej. Oznacza to, że istnieje granica dokładności pomiaru parametrów rozchodzącej się fali. Zjawisko to ma fundamentalne znaczenie, jeżeli weźmie się pod uwagę, że każda materialna cząstka jest falą. Zjawisko to jest potwierdzeniem zasady nieoznaczoności. Dualizm korpuskularno-falowy powoduje, że możliwa jest obserwacja dyfrakcji cząstek materialnych. Eksperymenty udowodniły, że zjawisko to zachodzi dla elektronów i neutronów.

Aby wzmocnić falę przechodzącą przez szczelinę stosuje się w optyce układy wielu takich szczelin, nazywane siatką dyfrakcyjną. Efekty optyczne od każdej szczeliny dodają się, przez co zachowanie fali zależy tylko od stałej siatki (odległości dzielącej najbliższe sobie rysy).

Zjawisko dyfrakcji zachodzi również, kiedy fale przechodzą przez wiele blisko siebie położonych warstw. Jeżeli odległość między warstwami jest stała, kolejne maksima fali można opisać zależnością:

,

gdzie:

  • d – stała siatki,
  • θ – kąt od osi wiązki światła,
  • λ – długość fali,
  • n – przyjmuje wartości całkowite dodatnie od 1,2,3,...

Dla promieniowania rentgenowskiego zjawisko to pozwala na obserwacje kolejnych warstw kryształu. W świetle widzialnym dyfrakcję na warstwach można obserwować jako rozproszenie światła białego na powierzchni płyty CD. Kolejne ścieżki tworzą następujące po sobie warstwy, na których fale o różnych kolorach, załamują się pod różnym kątem. W efekcie światło białe rozdziela się na poszczególne barwy.

Fala, która omija przeszkodę mniejszą niż długość fali, nie reaguje na tak mały obiekt. Fakt ten powoduje konieczność stosowania krótszych fal do obserwacji mniejszych przedmiotów. Aby obserwować strukturę krystaliczną materii, konieczne jest użycie fal rentgenowskich. Zjawisko dyfrakcji pozwoliło na rozwój krystalografii rentgenowskiej, dzięki której badano strukturę kryształów, odkryto także strukturę spirali DNA.

Inne języki
العربية: حيود
বাংলা: অপবর্তন
беларуская: Дыфракцыя
български: Дифракция
català: Difracció
čeština: Difrakce
chiShona: Bvurunuro
Cymraeg: Diffreithiant
Ελληνικά: Περίθλαση
English: Diffraction
Esperanto: Difrakto
فارسی: پراش
français: Diffraction
Gaeilge: Díraonadh
galego: Difracción
한국어: 회절
Հայերեն: Դիֆրակցիա
हिन्दी: विवर्तन
hrvatski: Ogib
Bahasa Indonesia: Difraksi
italiano: Diffrazione
עברית: עקיפה
қазақша: Дифракция
Kreyòl ayisyen: Difraksyon
Кыргызча: Дифракция
latviešu: Difrakcija
lietuvių: Difrakcija
magyar: Diffrakció
മലയാളം: വിഭംഗനം
मराठी: विवर्तन
монгол: Дифракц
Nederlands: Diffractie
日本語: 回折
norsk nynorsk: Diffraksjon
ਪੰਜਾਬੀ: ਵਿਵਰਤਨ
Piemontèis: Difrassion
português: Difração
română: Difracție
русский: Дифракция
sicilianu: Diffrazzioni
සිංහල: විවර්තනය
Simple English: Diffraction
slovenčina: Difrakcia
slovenščina: Uklon
српски / srpski: Дифракција
srpskohrvatski / српскохрватски: Difrakcija
Basa Sunda: Difraksi
suomi: Diffraktio
svenska: Diffraktion
తెలుగు: వివర్తనం
Türkçe: Kırınım
українська: Дифракція
اردو: انکسار
Tiếng Việt: Nhiễu xạ
中文: 衍射